Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 30 November 2021. 503-516
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.6.503

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 폼(foam) 소화

  • 3. 자율형 초동진압용 소화장치를 이용한 분사 실험

  •   3.1 분사 실험방법

  •   3.2 분사 실험결과

  • 4. 폼(foam) 분사 특성에 대한 CFD 해석

  •   4.1 CFD 적용 기법 및 이론

  •   4.2 CFD 모델링

  •   4.3 CFD 해석 결과 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

교통문제 및 도심지 과밀화에 따른 문제 해소를 위해 다수의 대심도 장대지하도로 및 영동대로 광역복합환승센터 등 지하대공간 개발이 늘어나고 있으나, 사매터널 화재 및 이천 물류창고 공사 현장 화재등 지하공간과 관련된 사고가 빈번히 발생되어 많은 인명피해를 동반한 대형 화재사고가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 대형 화재사고에 대응하기 위하여 국가차원의 대책 마련이 계속되고 있으며, 과학계에서도 피해경감을 위하여 대형 화재사고에 대응하기 위한 첨단 기술을 접목한 소방 대응 기술 개발에 집중하고 있다. 화재사고의 발생 빈도는 낮으나 다수의 인적 ‧ 물적 피해를 초래하는 터널 및 지하공간 등에서의 화재사고는 초동조치가 피해 저감에 있어 매우 중요한 요인이므로, 위험 감지에서부터 대응까지 자율형으로 운영되는 대응 기술에 대한 사회적 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라 화재를 자율적으로 탐지하고 초동진압하는 소화시스템 개발이 수행되고 있으며, 군함정 및 다양한 민간분야에 적용하기 위한 시도를 하고 있는 실정이다(Menchini, 2013).

자율형 초동소화 체계는 복합적 감지 기술 및 화재 위치별 정확한 타격을 위한 분사/제어 기술등에 대한 고도의 기술이 필요하다. 또한, 청수분사를 기본으로 하되 상황에 따라 유류화재에 대한 대응을 위해 폼(foam) 분사를 접목하여야 한다. 다만, 단일 분사 모니터를 공용으로 사용할 시 청수와 폼(foam) 분사 특성이 상이하게 나타나므로 정확한 화재 진압을 위해서는 분사궤적 및 거리에 대한 연구가 필요할 것이다.

일반적으로 화재진압용 폼(Foam)은 포소화설비를 통해 분사되며, 유류화재의 위험이 큰 유조선이나 위험 화학품 선적운반선의 화물구역 화재를 진압하기 위해 설치 및 사용된다(Lee et al., 2016). 또한, 민간 분야에서는 지하주차장 및 창고시설, 터널 등에도 위험도 등급에 따라 권장시설로 분류되어 적용되고 있다.

본 연구에서는 자율형 소화체계 구축을 위해 개발된 분사 모니터를 통한 폼 분사 특성 분석을 위해 실험적 연구와 수치해석적 연구를 복합적으로 수행하였다. 폼 분사에 대한 유동해석을 위해 OpenFOAM 해석 소프트웨어를 사용하여 모델링을 하였으며, 폼 특성은 일반적인으로 사용되고 있는 포소화약제 수성막포(AFFF) 6%를 적용하였다. 폼 형태에 따라 분사압, 분사각에 따른 분사 거리 해석을 수행하였으며, 동시에 분사 실험을 통해 결과에 대한 검증 및 결과를 제시하였다.

2. 폼(foam) 소화

폼(foam) 소화 장치의 정식 명칭은 ‘포소화설비’로 물에 의한 소화방법으로 효과가 적거나 또는 화재가 확대될 위험성이 있는 가연성 액체 등 대표적으로 유류화재 소화에 사용되고 있다. 포소화설비는 연소면을 포말로 뒤덮어 산소공급의 차단에 의한 질식작용과 포에 함유된 물에 의한 냉각작용을 주된 소화원리로 하여 소화목적을 달성하는 소화설비로서, 종류에 따라 일반 물에 발포용 약제를 희석하거나, 물에 약제와 압축 기체를 이용하여 강제 희석 후 분사하는 두 가지 형태이다(Korea Fire Safety Standards, 2007). 국내의 경우, 포 약제의 발포성능은 팽창비를 기준으로 저발포(팽창비 20 이하)와 고발포(팽창피 80 이상 1,000 미만)로 분류하고 있으며, 차고 ‧ 주차장 ‧ 선박 등에 적용되는 포소화전 및 호스릴포등 비교적 원거리의 목표물을 향해 분사해야하는 경우 저발포용 포 약제를 사용하고, 창고 ‧ 물류시설 ‧ 격납고 등과 같이 대공간에 급속한 소화가 필요한 경우 고발표용 포 약제가 적용된다(National Fire Agency, 2021).

현재 국내의 포소화설비 기준은 소방청고시 「포소화설비의 화재안전기준(NFSC 105)」와 「소화약제의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」에 규정되어 있으며, 기준에는 포소화설비에 대한 성능기준은 물론 설비의 구성품에 관한 성능기준 및 장치/시스템에 대한 구성 기준이 명시되어 있다(National Fire Agency, 2017; 2021).

3. 자율형 초동진압용 소화장치를 이용한 분사 실험

3.1 분사 실험방법

자율형 소화체계 내 폼(foam) 분사 장치 적용을 위해 본 연구에서 개발된 CFD 해석 기법의 검증방안으로 실제 분사모니터를 이용한 분사 실험을 수행하여 비교분석용 실험 데이터를 획득하였다. 실험은 배플(Baffle)을 분리한 분사모니터의 직후단에 Line proportioner 방식의 폼 혼합장치(Ejector)를 설치하여 압력변화에 따른 청수 및 폼(foam)의 분사거리를 측정하였다.

Fig. 1과 같이 사용된 분사모니터는 직경 65 mm 배관에 상하좌우 방향 제어를 위해 2개의 모터가 장착된 다관절 형태을 띄고 있으며, 관의 내부 손실을 최소화 하기 위해 S자형태(90° Elbow 2개, 180° return bends 1개로 구성)의 곡선 모양으로 제작되었다.

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Fig. 1.

The spray monitor for AFDSS

폼 혼합장치(Ejector) S사에서 시중에 판매되고 있는 Foam ejector를 설치하였다. 소화 약제 인입을 유도하는 본류 조건(분사압 7 bar 및 유량 1,324~2,839 LPM)에서 1~6% 비율의 폼이 혼합되어 분사되도록 설계되었다. 다만, 본 실험을 위해 적용된 분사 모니터의 특성상 분사 유량이 폼혼합장치 설계 사양 보다 상이한 성능조건으로인해 실제 설치한 조건에서의 분사 실험을 통하여 혼합 비율을 재산정하였다. 재산정 방법은 18 L의 약제가 전량 소진되는 시점을 기준으로 분사된 물의 양을 측정하여 혼합비를 파악하였고, 2회 반복 실험을 통해 평균값을 산출하여 결과를 보정하였으며, 그 결과로부터 아래 Table 1Fig. 2와 같이 실제 혼합비 2.37%를 확인할 수 있었다. 분사압력 변화의 영향을 파악하기 위해 Case #1에서는 23초 동안 분사압력을 0.3 bar에서 3.1 bar까지 증가시켰으며, Case#2에서는 20초 동안 분사 압력을 약 2.0 bar로 고정하여 인입되는 소화약제 주입량을 측정하였다.

Table 1.

Experimental conditions for calculating the average mixing ratio of water and fire extinguishing agents

Case Amount of fire extinguishing
agent injected (L)
Total water mass flow (L) Outlet pressure (bar) Mixing ratio of water and
fire extinguishing agent (%)
Average mixing ratio (%)
#1 18 719.1 0.3~3.1 2.44 2.37
#2 18 766.9 1.9~2.0 2.29

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Fig. 2.

Spray angle (30°) and distance measurement on the spray monitor

사용된 포소화약제는 수성막포(Aqueous Film-Forming Foam, AFFF)로 비중 1.03 (at 20°C), 확산계수 4.5의 특성을 가지며, 직경 25 mm의 플렉시블 호스를 통해 폼 혼합장치로 약제가 인입된다.

실험은 분사 모니터 분사각 30°, 분사압 0~3.9 bar 범위로 선형적으로 증가시켜 폼(foam) 분사거리를 측정하였다. 분사압은 분사모니터 직후단에 설치된 압력계를 통하여 측정되었으며, 주 펌프의 출력을 조정하여 조절하였다. 거리 측정은 Fig. 3과 같이 10 m 단위로 거리 측정 이정표를 배치한 후 영상 분석을 통해 도달 거리를 분석하였다.

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Fig. 3.

Spray angle (30°) and distance measurement on the spray monitor

3.2 분사 실험결과

폼(foam) 분사 실험은 Fig. 4와 같이 분사압력을 0에서 3.9 bar까지 단계별로 증가시켜 총 63초 동안 수행하였으며, 분사압이 2 bar로 안정된 29초가 되는 시점부터 폼소화약제를 주입하여 폼 형태로 분사하였다. 이 때, Fig. 5와 같이 측면에서의 영상 촬영을 통해 분사되는 폼의 도달거리를 측정하였다.

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Fig. 4.

Comparison of outlet pressure and spray distance along with time

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Fig. 5.

Foam spray distance according to outlet pressure

주 펌프를 이용하여 가압을 시작한 후 15초가 경과되면 분사압이 0.4 bar가 되고 도달거리는 10 m에 이른다. 21초까지 분사압을 2.0 bar 맞추고 약 8초정도를 유지시키다가 29초가 되는 시점부터에 폼 혼합장치 밸브를 열어 폼을 주입하였다. 주입 직후 도달거리는 18 m로 측정되고 있으며, 38초부터 다시 가압되어 2.0 bar에 20 m, 43초에 26.5 m (2.9 bar), 56초에 최대분사거리인 30 m (3.7 bar)까지 도달하고 있다.

시간에 따른 압력 및 도달거리 결과를 이용하여 Fig. 6과 같이 압력 조건에 따른 폼 분사거리 특성을 나타냈다. 분사압력이 0.5 bar에서 3.9 bar까지 증가할 때 분사거리는 10 m에서 30 m까지 증가하고 있으며, 이 결과로부터 폼 분사거리를 예측할 수 있는 선도를 구하였으며, 분사압력이 1 bar 증가하면 분사거리는 약 6 m가 늘어나는 결과가 나타난다. 이 결과는 이어지는 CFD 해석기법에 대한 결과값과 비교분석 되어 수치해석 결과값의 타당성 검증에 이용될 것이다. 실험시 발생된 분사유량은 Fig. 7과 같다.

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Fig. 6.

Foam spray distance according to outlet pressure

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Fig. 7.

Mass flow rate for spray water

4. 폼(foam) 분사 특성에 대한 CFD 해석

본 절에서는 폼 분사에 대한 CFD 해석을 위하여 openFoam v9을 사용하였다. Open Foam은 Hrvoje Jasak과 Henry Weller에 의해 개발되어 GNU GPL (General Public License) 적용하여 오픈소스로 배포되어 사용되고 있다.

4.1 CFD 적용 기법 및 이론

본 수성막포 폼(foam)분사에 의한 유체 유동은 비압축성, 비정상상태이고, 다상유동이다(Grosshans et al., 2016). 따라서 해석에 적용된 지배방정식은 2개의 상 유동에 적용하는 VOF (Volume of Fluid)를 포함하여 다음과 같다.

난류 모델은 k-epsilion 모델을 적용하였다.

[Continuity equation]

(1)
u=0

[Momentum equation]

(2)
ρu/t+(rhouu)=-p+ρν[2S]+F

[Volume of Fluid (VOF)]

(3)
α0phase10<α<1interface1phase2
(4)
ρ=αρl+(1-α)ρg
(5)
α/t+(αu)+(α(1-α)u)=0

여기서, u는 속도 벡터(m/s), ρ는 밀도(kg/m3)를 나타내며, 각 변수의 하첨자 l은 액체 밀도(kg/m3), g 기체 밀도(kg/m3) 이다. 또한, 기호 α는 VOF의 상태를 나타내는 값으로 주어진 체적에 대하여 α = 0이면 공기, α = 1이면 액체가 검사 체적에 대하여 100% 차지 한다는 의미이다.

4.2 CFD 모델링

본 수성막포 폼(foam)분사 특성인 분사거리를 예측하기 위하여 2차원으로 CFD 모델링을 적용 하였다. 2차원 해석은 Simulation 계산소요 시간의 단축 및 분사거리에 대한 특성을 주로 살펴보기 위함이다. 해석 대상은 최대한 단순화 하였으며 격자는 육면체 격자(Hexahedral Mesh)를 사용하였고 격자 생성은 아래 Figs. 8, 9와 같다.

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Fig. 8.

Geometry for CFD simulation

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Fig. 9.

Hexahedral mesh for CFD simulation

4.3 CFD 해석 결과 분석

CFD에 의한 수성막포 폼(foam)분사거리 예측기법을 정립하기 위하여 입력이 되는 수성막포 폼에 사용되는 약재와 혼합된 액체의 점성에 대한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 실험에서 측정된 분사거리를 이용하여 약재의 점성 별 CFD 수행결과를 통하여 실험값과 일치하는 점성을 찾아내었다.

Fig. 10에서 보는 바와 같이 CFD해석은 동점성계수가 0.000001~0.000012 (m2/s)의 범위에서 수행하였으며, 동점성계수가 0.000008 (m2/s)일 때 방수거리에 대한 실험값과 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

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Fig. 10.

Simulation result of foam spray distance according to viscosity (outlet pressure: 2 bar)

결정된 점성값을 이용하여 다음 Table 2와 같이 세 가지 CASE에 대하여 수행하여 실험 분사거리 데이터와 비교하였다. 수성막포의 물성치로 밀도 1,020 kg/m3, 동점성계수 0.000008 (m2/s), 표면장력 0.072 N/m를 적용하였다.

Table 2.

Case study on foam spray

Case No. Outlet pressure (bar) Foam monitor angle (degree, °)
1 2 30
2 3 30
3 3.9 30

CFD 해석 결과를 각각의 CASE별로 실험데이터와 비교한 것은 아래 Figs. 11, 12, 13와 같다. 그림에 표현된 alpha water는 전술한 α값이며 0일 때 공기이고 0 초과이면 주어진 체적에 대하여 액체가 포함된 비율을 의미하며 본 수성막포는 경계면에서 공기비율이 큰 액적 형태로 분포하는 것을 의미 한다.

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Fig. 11.

CASE 1 simulation result of foam spray distance for outlet pressure (2 bar)

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Fig. 12.

CASE 2 simulation result of foam spray distance for outlet pressure (3 bar)

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Fig. 13.

CASE 3 simulation result of foam spray distance for outlet pressure (3.9 bar)

CFD 해석결과와 실험결과에 대해 분사거리 결과를 비교하면 최대 9.4% 차이를 보이며 실험결과와 동일한 패턴을 보이고 있고 최대 압력에서는 실험결과와 시뮬레이션 결과가 3.3%의 오차를 보이고 있다. 따라서 CFD에 의한 수성막포 폼(foam)분사거리 예측은 타당하다고 판단된다.

아래 Figs. 14, 15, 16에서는 각 분사압력별도 분출되는 속도를 나타낸 것이다. 분사압력에 따른 분사속도는 2 bar에서는 약 14 m/s, 3 bar에서는 16 m/s, 3.9 bar에서는 18 m/s로 분사되는 것을 확인할 수 있다. 속도분포의 패턴은 2~ 3.9 bar까지 동일한 패턴으로 분사되고 있다. 속도 패턴을 보았을 때 분사되어 지면에 부착이후에도 반동되어 지면에 재부착되는 현상이 반복되는 것을 확인할 수 있으며 분사포의 액체와 공기 층 사이 경계층에서 강한 와류가 발생되는 것을 확인 할 수 있다. 지면에 부착된 이 후 분사노즐 방향(상방향)으로 되돌아 가는 일부 유동도 관측이 된다. 이는 지면에 부착될 때 충돌할 때의 총 운동량이 보전이 되기 위하여 분사 유동방향뿐만 아니라 반대로도 지면을 따라 유동이 발생되는 것으로 판단된다.

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Fig. 14.

CASE 1 simulation result of foam spray velocity for outlet pressure (2 bar)

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Fig. 15.

CASE 2 simulation result of foam spray velocity for outlet pressure (3 bar)

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Fig. 16.

CASE 3 simulation result of foam spray velocity for outlet pressure (3.9 bar)

본 연구에서는 분사거리의 특성을 조사하기 위하여 CFD 기법을 구축하고 분석하였다. Figs. 17, 18의 액체거동이나 속도분포에서 포로 분사되었을 때 주 액체 거동은 표현이 잘 되었으나 액체에서 Break-Up 현상의 구현은 부족하였는데, 이는 액적보다 격자의 크기가 커서 작은 액적을 계산하는 것이 불가하기 때문인 것으로 판단된다. 향후 액체가 Break-Up되어 분무 형태로 미립화 되는 과정을 구현하기 위하여 충분히 격자가 작고 액체거동에 따라 밀집되어 해석을 진행하는 dynamic mesh 기법을 적용하여 해석의 정확도를 높이는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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Fig. 17.

Foam spray distance according to outlet pressure

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Fig. 18.

Curve fitting for the simulation results

5. 결 론

본 연구에서는 자율형 소화체계 구축을 위해 개발된 분사 모니터를 통한 폼 분사 특성 분석을 실험적 연구와 수치해석적 연구를 복합적으로 분석하였다. 압력증가에 따른 폼 분사거리를 실험적으로 파악하였으며, 동시에 수치해석적 연구를 위한 해석 기법을 정립하고 분사압력별 분사결과를 얻어 실험결과 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 수성막포 폼분사 실험에서는 분사압력이 0.5 bar에서 3.9 bar까지 증가할 때 분사거리는 10 m에서 30 m까지 증가하고 있으며, 이 결과로부터 폼 분사거리를 예측할 수 있는 선도를 구하였으며, 분사압력이 1 bar 증가하면 분사거리는 약 6 m가 늘어나는 결과가 나타난다.

2. 2. CFD 해석결과와 실험결과의 오차율을 비교하면 3.3~9.4% 정도의 차이가 나타나며, 실험결과와 유사한 패턴을 보이고 있어 VOF 방법을 적용한 수성막포 폼(foam)분사거리 예측은 타당하다고 판단된다. 따라서 이렇게 확립된 CFD 기법을 적용하여 분사 압력별로 수성막포 폼분사의 분사거리 예측 기술을 확립하였다.

3. CFD를 통한 방수포의분사해석에서 주 액체거동의 Break-Up 현상 및 액적(분무) 현상에 대한 해석이 미흡하나, 이는 2D 해석의 한계와 격자의 Size가 크기 때문인 것으로 판단된다. 이에 후속연구에서는 작은 액적의 유동이 해석될 수 있도록 유동에 따라 조밀한 격자를 생성하여 해석을 수행하는 dynamic Mesh기법 적용이 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 대한민국 정부(산업통상자원부 및 방위사업청) 재원으로 민군협력진흥원에서 수행하는 민군기술협력사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(협약번호 UM19304RD3).

저자 기여도

박진욱은 실험 수행 및 데이터 분석, 원고 집필을 하였고, 유용호는 연구 개념 및 설계, 원고 검토를 하였으며, 김휘성은 실험 수행 및 데이터 수집을 하였다.

References

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Grosshans, H., Movaghar, A., Cao, L., Oevermann, M., Szasz, R.Z., Fuchs, L. (2016), "Sensitivity of VOF simulations of the liquid jet breakup to physical and numerical parameters", Computers and Fluids, Vol. 136, pp. 312-323. 10.1016/j.compfluid.2016.06.018
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